CN108828321A - 一种用于测量介电常数的差分微波传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于测量介电常数的差分微波传感器。本发明包括上层介质基板、金属通孔、顶层SRRs环、电场强度最大的区域、中间层馈电环、下层介质基板、底层SRRs环；上层介质基板的顶层正中心印刷耦合SRRs环；上层介质基板的底层正中心印刷馈电环并延伸出馈电长脚；下层介质基板的底层正中心印刷耦合SRRs环；沿着SRRs的两条平行的金属条为电场强度最大的区域，该区域放置待测样本。该差分微波传感器不仅具备对介电常数精确测量的优良性能(高Q值和高灵敏度)，而且具有超小的电尺寸，差分测量的结构设计使其几乎不受测量环境的影响，具备在非实验室条件下作精确测量的能力，具有极强的实用性。

Description

一种用于测量介电常数的差分微波传感器
技术领域
本发明属于微波技术领域，提出了一种新型的差分微波传感器，能对未知介电常数材料的作差分测量，提高准确性和稳定性。
背景技术
随着微波技术在民用市场的快速普及，微波射频器件在各类电子设备中的使用率日益高涨，同时由于这类器件所使用的介质材料的介电常数对整个器件的性能影响很大，因此对介质材料介电常数的精确测量是十分必要的。
介电常数是反应物质电磁特性的重要物理性质之一，它是物质与电磁场之间相互作用的重要纽带。虽然介电常数是物质的固有参数，但是它并不是一个常数。它是频率的函数，并且跟温度、湿度等外部因素有关，这些外部影响因素增加了测量介电常数的难度。由于介电常数是无法直接测量的物理量，因此只能测量电压、电流、阻抗和散射参数等可测量的物理量，再根据介电常数与这些实际可测量的物理量之间的函数关系来反演出材料的介电常数。在微波射频频段，对介电常数的测量通常可以归为谐振法和非谐振法两类，由于具有成本低，易于集成，实时监测和小型化等优点，谐振方法引起了研究人员的极大兴趣。对于谐振法的测量，为了能对介电常数作出精确测量，就对传感器性能指标提出了较高的要求，一般需要其具有高灵敏度和高品质因数(Q值)。此外，基于实用性考虑，传感器还应具有较小的尺寸和一定的抗干扰能力。现有的测量介电常数的这类产品抗干扰能力基本都很弱，测量必须要在实验室的微波暗室或者低干扰源的条件下进行，本申请差分测量结构的设计主要是解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述所提到的困难，正视挑战，满足对介电常数测量的精准度和实用性的要求，提出了一种基于SRRs(split-ring resonators)的超小型、高Q值、高灵敏度以及强抗干扰的微波传感器，由于传感器采用差分测量设计，可以避免测试环境中物体的反射干扰以及温度对介电常数的影响。SRRs是一种新型的人工电磁超材料，因其优异的特性近年来被广泛应用于各类微波器件中。
本发明用于测量介电常数的差分微波传感器包括上层介质基板(1)、金属通孔(2)、顶层开口谐振环(简称顶层SRRs环)(3)、电场强度最大的区域(4)、中间层馈电环(5)、下层介质基板(6)、底层SRRs环(7)；
上层介质基板(1)的顶层印刷耦合顶层SRRs环(3)，底层印刷中间层馈电环(5)；其中中间层馈电环(5)延伸出馈电长脚，用于连接SMA连接头
下层介质基板(6)的底层印刷耦合底层SRRs环(7)；
顶层SRRs环(3)、中间层馈电环(5)、底层SRRs环(7)的中心位于同一直线；
所述的顶层SRRs环(3)、底层SRRs环(7)开口处均向环内延伸；顶层SRRs环(3)、底层SRRs环(7)尺寸相同但开口方向相反；其中顶层SRRs环向环内延伸部分为电场强度最大的区域(4)，该区域放置待测样本，最大化传感器对介电常数的灵敏度。
所述的传感器的上下层介质基板周围有一圈金属通孔(2)，降低传感的远场辐射效率。
传感器的Q值决定了测量的精度；灵敏度决定了对介电常数测量的分辨率；小型化和抗干扰能力决定了传感器的实用性。
工作过程：本发明是对介电常数作差分测量的而设计的传感器，具体分为两个同尺寸的单传感器组成，测量时以任意一个单传感器作为参考测量，则另一个为实际的测量之用。这里以左边的单传感器作为参考测量为例，左边传感器放置已知介电常数的参考介质块，右边则在同样位置放置同样大小的待测介质块，当待测介质块与参考介质块介电常数相同时，S12或S21两个波峰重合，频率差为零；当待测介质块与参考介质块介电常数不同时，S12或S21两个波峰不重合，即会产生频率差，这个频率差会随着待测介质块介电常数的变化而不同，因此根据具体的频率差即可推算出待测的介质块的介电常数。
本发明的有益效果：本发明传感器具有极高的Q值和灵敏度保证了测量的精准度和高分辨率，同时差分测量的设计，使得测试时周围的物体和各种干扰源对测量造成的误差几乎都被抑制，对实际测量环境的依赖大大减小，具有极强的实用性。
由两个同样尺寸的本发明单传感器组成差分测量的传感器，使传感器的测量不受测量环境因数和温度的影响。
附图说明
图1是本发明单个传感器的整体结构以及参数标注图；其中(a)传感器顶层，(b)传感器中间层,(c)传感器底层；
图2是本发明差分传感器的俯视效果图；
图3是本发明差分传感器的S参数示意图；
图4是本发明的S参数与待测介质块的关系图；其中(a)S22,(b)S12和S21；
图中：1.上层介质基板；2.金属通孔；3.顶层SRRs环；4.电场强度最大的区域；5.中间层馈电环；6.下层介质基板；7.底层SRRs环。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的传感器作进一步说明。
如图1所示，本发明的传感器包括上层介质基板(1)、金属通孔(2)、顶层SRRs环(3)、电场强度最大的区域(4)、中间层馈电环(5)、下层介质基板(6)、底层SRRs环(7)；上层介质基板(1)的顶层正中心印刷耦合SRRs环(3)；上层介质基板(1)的底层正中心印刷馈电环(5)并延伸出馈电长脚用于连接SMA连接头；下层介质基板(6)的底层正中心印刷耦合SRRs环(7)，该SRRs的尺寸与顶层SRRs一样但开口方向相反；传感器的上下层介质基板周围有一圈金属通孔(2)，降低传感的远场辐射效率；沿着SRRs的两条平行的金属条为电场强度最大的区域(4)，该区域放置待测样本最大化传感器对介电常数的灵敏度。
本发明的传感器的设计是在三维电磁仿真软件HFSS环境下进行的，相关的尺寸是通过软件优化所确定，如下表I所示：
TABLE Ⅰ
Detail parameters of the single resonator
其中微波介质基板是大小均为50×50×1mm3的高频板F4B(介电常数2.2，磁导率1，损耗正切0.003)，所有参数单位为毫米。
如图2所示的差分测量的传感器的整体结构俯视图，两个同结构的单传感器相距60mm并排放置，左边的传感器1作为参考使用，右边的传感器2作为测量使用。本例以空气作为参考介质，即左边传感器1不放任何介质块，右边传感器2的正中心放待测介质块，这里选用10×10×10mm3大小的介质块。
如图3所示的S参数图，差分测量的传感器的中心谐振频率为391.9MHz，实现了超小的相对尺寸设计，单个传感器的电尺寸达到了0.052λ0×0.052λ0(λ0是中心频率在自由空间中的波长)，两传感器相距60mm，相当于0.078λ0。差分测量的传感器-10dB带宽为1.15MHz，相应的Q值约为341，实现了传感器的高Q值特性。
如图4所示的S参数与待测介质块之间的关系图，此时传感器1空载作为参考，传感器2上放置不同介电常数的介质块。由于传感器1始终以空气作为参考，谐振频率保持不变为391.9MHz，当传感器2上的待测介质块介电常数由1变为10时，传感器相应的谐振频率由391.9MHz变为329.7MHz，相对频率偏移达到15.9％，表现出对介电常数极好的灵敏度。与此同时，S12和S21也会在对应的频率上增加一个峰值，因此依照谐振频率偏移的方法对介电常数进行反演，就可以简化为只通过测量S12或S21即可，大大简化了测量流程，测量更加方便。
以上结果显示，本发明的传感器不仅具备对介电常数精确测量的优良性能(高Q值和高灵敏度)，而且具有很高的实用性(超小的电尺寸和强抗干扰能力)。
本发明的微波传感器具备优良的性能，此外结构简单，双层PCB板印刷设计、超小的电尺寸和强抗干扰能力，加之差分测量的结构设计使其几乎不受测量环境的影响，具备在非实验室条件下作精确测量的能力，具有极强的实用性，可广泛推广使用。
上述实例并非是对于本发明的限制，本发明也并非仅限于上述实例，只要符合本发明方法的要求，均属于本发明方法的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于测量介电常数的差分微波传感器，其特征在于包括上层介质基板(1)、金属通孔(2)、顶层SRRs环(3)、电场强度最大的区域(4)、中间层馈电环(5)、下层介质基板(6)、底层SRRs环(7)；
上层介质基板(1)的顶层印刷耦合顶层SRRs环(3)，底层印刷中间层馈电环(5)；其中中间层馈电环(5)延伸出馈电长脚，用于连接SMA连接头；
下层介质基板(6)的底层印刷耦合底层SRRs环(7)；
顶层SRRs环(3)、中间层馈电环(5)、底层SRRs环(7)的中心位于同一直线；
所述的顶层SRRs环(3)、底层SRRs环(7)开口处均向环内延伸；顶层SRRs环(3)、底层SRRs环(7)尺寸相同但开口方向相反；其中SRRs向环内延伸部分为电场强度最大的区域(4)，该区域放置待测样本；
所述的传感器的上下层介质基板周围有一圈金属通孔(2)，降低传感的远场辐射效率。
2.如权利要求1所述的一种用于测量介电常数的差分微波传感器，其特征在于由两个同样尺寸如权利要求1所述的传感器组成差分测量的传感器，使传感器的测量不受测量环境因数和温度的影响。
3.如权利要求1所述的一种用于测量介电常数的差分微波传感器，其特征在于一个传感器作为参考使用，另一个作为测量使用。
4.如权利要求1所述的一种用于测量介电常数的差分微波传感器，其特征在于测量时S12或S21会出现两个峰值，两个峰值的频点与S11和S22分别对应，从而测量简化为对S12或S21的检测。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109596895A (zh) * 2019-01-30 2019-04-09 杭州电子科技大学温州研究院有限公司 一种高便携性平衡式微波介质传感器
CN110108949A (zh) * 2019-05-10 2019-08-09 杭州电子科技大学 用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的新型微波传感器
CN110531165A (zh) * 2019-08-20 2019-12-03 杭州电子科技大学 基于微波传感器的新型高精度介电常数测试系统
CN112763808A (zh) * 2020-12-29 2021-05-07 杭州电子科技大学 基于微带互补开环谐振器结构的有源微波传感器
CN113252992A (zh) * 2021-07-05 2021-08-13 山东国瓷功能材料股份有限公司 材料介电性能测试设备

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8054146B2 (en) * 2005-11-14 2011-11-08 Iowa State University Research Foundation, Inc. Structures with negative index of refraction
CN102299418A (zh) * 2011-06-15 2011-12-28 集美大学 多层宽频微带天线
CN102957310A (zh) * 2012-10-26 2013-03-06 上海交通大学 基于局部电磁带隙结构的电源分配网络
CN103683904A (zh) * 2013-12-09 2014-03-26 上海交通大学 电磁带隙结构单元小型化的电源分配网络
CN104681903A (zh) * 2013-11-27 2015-06-03 哈尔滨飞羽科技有限公司 基于srr和ds-csrr的新型可控双通带滤波器
CN105629078A (zh) * 2015-12-24 2016-06-01 河南师范大学 一种微量液体介电常数测试传感器
CN205720052U (zh) * 2016-04-29 2016-11-23 云南大学 一种耦合ω型互补谐振微波传感器
CN107317114A (zh) * 2017-05-19 2017-11-03 杭州电子科技大学 基于SRRs提高环形天线阻抗匹配和扩展频带的方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8054146B2 (en) * 2005-11-14 2011-11-08 Iowa State University Research Foundation, Inc. Structures with negative index of refraction
CN102299418A (zh) * 2011-06-15 2011-12-28 集美大学 多层宽频微带天线
CN102957310A (zh) * 2012-10-26 2013-03-06 上海交通大学 基于局部电磁带隙结构的电源分配网络
CN104681903A (zh) * 2013-11-27 2015-06-03 哈尔滨飞羽科技有限公司 基于srr和ds-csrr的新型可控双通带滤波器
CN103683904A (zh) * 2013-12-09 2014-03-26 上海交通大学 电磁带隙结构单元小型化的电源分配网络
CN105629078A (zh) * 2015-12-24 2016-06-01 河南师范大学 一种微量液体介电常数测试传感器
CN205720052U (zh) * 2016-04-29 2016-11-23 云南大学 一种耦合ω型互补谐振微波传感器
CN107317114A (zh) * 2017-05-19 2017-11-03 杭州电子科技大学 基于SRRs提高环形天线阻抗匹配和扩展频带的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LIANG PENG等: "Efficient Radiation by Electrically Small Antennas made of Coupled Split-ring Resonators", 《SCIENTIFIC REPORT》 *
刘洋 等: "基于SRRs的多频段LOOP天线", 《2017年全国微波毫米波会议论文集（下册）》 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109596895A (zh) * 2019-01-30 2019-04-09 杭州电子科技大学温州研究院有限公司 一种高便携性平衡式微波介质传感器
CN110108949A (zh) * 2019-05-10 2019-08-09 杭州电子科技大学 用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的新型微波传感器
CN110108949B (zh) * 2019-05-10 2021-05-07 杭州电子科技大学 用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的微波传感器
CN110531165A (zh) * 2019-08-20 2019-12-03 杭州电子科技大学 基于微波传感器的新型高精度介电常数测试系统
CN110531165B (zh) * 2019-08-20 2021-11-23 杭州电子科技大学 基于微波传感器的新型高精度介电常数测试系统
CN112763808A (zh) * 2020-12-29 2021-05-07 杭州电子科技大学 基于微带互补开环谐振器结构的有源微波传感器
CN112763808B (zh) * 2020-12-29 2022-05-27 杭州电子科技大学 基于微带互补开环谐振器结构的有源微波传感器
CN113252992A (zh) * 2021-07-05 2021-08-13 山东国瓷功能材料股份有限公司 材料介电性能测试设备
CN113252992B (zh) * 2021-07-05 2021-11-05 山东国瓷功能材料股份有限公司 材料介电性能测试设备

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